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Le nuove tecnologie applicate sono ormai divenute protagoniste di un processo di innovazione che fa sentire i suoi influssi anche nella nostra vita quotidiana, non soltanto ovviamente per gli oggetti che utilizziamo quali computer, dvd o palmari, ma anche per ciò che indossiamo. Negli Stati Uniti li chiamano “wearable computers” e sono i dispositivi elettronici indossabili.
Attualmente questi dispositivi sono più che un nuovo concetto di comunicazione in quanto molti prototipi e prodotti sono già disponibili in vari settori industriali e forniscono le promesse funzionalità richieste. Secondo la Venture Development Corporation (VDC), dal settore industriale e anche da quello militare si passerà presto a quello professionale, formativo, ospedaliero, turistico, sportivo e anche consumer. Dall'analisi del versante consumer sono emerse interessanti indicazioni a favore della commercializzazione di nuovi dispositivi elettronici integrati negli accessori personali (cinture, giacche, occhiali, orologi, ecc.). In questo settore stanno investendo non solo aziende esclusivamente impegnate in questo mercato, ma anche i maggiori brand dell'ICT come Vocollect, Xybernaut, ViA, Voxware, ma anche IBM, Hewlett-Packard, Psion Teklogix, Panasonic, Hitachi:
aziende che dovrebbero garantire prezzi accessibili in breve tempo. In uno studio di VDC, intitolato
"The Global Market for Wearable Computers: The Quest for Killer Applications", che ha sondato diversi mercati d'oltreoceano (USA, Canada, Messico, Brasile) in Asia (Australia, Cina, India, Giappone, Corea), in Europa, Medio Oriente e Africa, si attesta che nel 2001 questo settore ha registrato un giro di affari di 70 milioni di dollari, e si stima che il mercato dei computer indossabili crescerà annualmente del 51%, raggiungendo in pochi anni i 600 milioni di dollari.
Un progetto attuale molto importante, il “wearIT@work”, conta 35 Partner provenienti da 14 diversi Paesi Europei ed appartenenti a differenti settori dell'industria, della ricerca e del mondo universitario. Tra essi vi sono multinazionali come Carl Zeiss, DoCoMo, EADS, HP, Microsoft, SAP e Siemens. Il progetto che è coordinato da TZI, uno dei centri di ricerca dell'Università di Brema, è iniziato nel Giugno 2004 e terminerà nel Novembre 2008. Con un budget di 23,7M€ ed un finanziamento comunitario di 14,6M€ il “wearIT@work”, risulta essere il maggior progetto sul Wearable Computing al mondo. Tra i primi a giovarsi dei cosiddetti wearable computer saranno medici, vigili del fuoco, personale di industrie automobilistiche e addetti alla manutenzione di aerei.
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È infatti in quattro settori che si sta muovendo wearIT@work, anche se i responsabili del progetto dicono che questo è solo l'inizio e che le applicazioni potrebbero essere estese ad altri campi, praticamente tutti.
Il problema di indossare i computer ha investito naturalmente il settore dell’abbigliamento: il primo passo è stato la costruzione di computer portatili montati su superfici o tessuti; si è poi passati alla produzione di tessuti ibridi contenenti elementi come ad esempio fibre ottiche, per poi arrivare alla integrazione dei dispositivi elettronici all’interno del tessuto; il passo futuro sarà quello di costruire fibre di tessuto che siano esse stesse un dispositivo elettronico.
Con le nuove sperimentazioni sui tessuti, si prospettano nuove tecnologie di produzione e nuovi manufatti tessili che siano veri e propri sistemi informatici a basso costo, portabili, flessibili, indossabili e lavabili. Il settore degli SMIT (Smart and Interactive Textiles), nato negli anni ’90 dall’esigenza di avere dei computer indossabili, è infatti in crescente evoluzione e prevede negli Stati Uniti un aumento dei settori di impiego e dell’uso da 64,4 milioni di dollari del 2004 a 299,3 milioni nel 2009 con un incremento annuale del 36% .
I BWCS (Body-Centric Wireless Communications) rappresentano sistemi di comunicazione senza fili in cui il corpo dell’utente assume un ruolo determinante nel funzionamento generale e quindi nella trasmissione dei segnali d’informazione.
Textile ICT
INFORMATION APPLICATIONS
WEARABLE THECNOLGIES
SMART CLOTHING
INTELLIGENT TEXTILES Figura 1.1 : Sviluppo dell’integrazione tra dispositivi elettronici e tessuti.
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I BWCS nascono da una tendenza introdotta anni fa dalla telefonia mobile secondo la quale l’utente moderno necessita di un tipo di comunicazione che lo mette in stretto contatto con il mondo esterno per quanto riguarda la sfera personale, lavorativa o medica. Nasce l’idea quindi di progettare dei dispositivi portatili (il più conosciuto è stato sicuramente il telefono cellulare) che realizzano una rete di comunicazione capace di scambiare informazioni di qualsiasi tipo con apparati istallati sul o fuori dal corpo dell’utente stesso.
Le BWCS sono parte importante della quarta generazione (4G) di sistemi di comunicazioni mobili.
Con il termine 4G (acronimo di 4th (fourth) Generation) si indicano, relativamente a tale campo, le tecnologie e gli standard di quarta generazione per le quali lo stato dell'arte al 2006 è a livello di prototipi, e non più solo di studi o teorie.
Considerando la sempre crescente miniaturizzazione della tecnologia portatile, i progressi nell’elaborazione di segnali numerici e nello sviluppo di software, i sistemi BWCS trovano una concreta applicazione nella sfera delle WPANs (Wireless Personal Area Networks) e nelle WBANs (Wireless Body Area Networks). Di conseguenza un sistema di BWCS può essere visto come “network of networks” ossia una sistema di comunicazione multiplo a cui possono accedere le reti esistenti, quali la rete fissa o cellulare di seconda e terza generazione (2G/3G), o le reti wireless locali (WLANs) e personali (WPANs)[1].
Figura 1.2 : Quarta generazione (4G) dei sistemi di comunicazione mobili.
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La Personal Area Network è una rete informatica utilizzata per permettere la comunicazione tra diversi dispositivi vicini a un singolo utente e consente lo scambio di informazioni o la connessione a reti di più alto livello quali ad esempio Internet.
I singoli dispositivi possono anche non appartenere all'utente in questione e, a differenza della WLAN il cui raggio di azione si può estendere fino a un centinaio di piedi, il raggio di una PAN non supera i 10 metri (33 piedi). Altre distinzioni dalla WLAN sono rappresentate dal Bandwidth e dall’uso specifico. Una WPAN comprende protocolli di comunicazione standard come Bluetooth e ZigBee (IEEE 802.15.4), e ultimamente anche sistemi ad alto data rate come Wireless Multimedia (IEEE 802.15.3) oltre a protocolli coesistenti con il 802.11 delle WLANs (IEEE 802.15.2).
La tecnologia Bluetooth agisce in banda ISM, industriale, scientifica e medica a 2.4 - 2.485 GHz, che nella maggior parte dei paesi non richiede licenza d’utilizzo, ed ha un data rate di 1 Mbps nella versione 1.2; più di 3 Mbps per la versione 2.0. Gli apparecchi dotati di Bluetooth si possono collegare fra loro in una cosiddetta piconet. Ogni piconet è costituita da un' unità centrale e un massimo di sette unità periferiche che dialogano tra loro. Le piconet possono, a loro volta, interconnettersi consentendo la creazione di reti più grandi, che possono comprendere numerosi dispositivi.
ZigBee è anch’esso uno dei protocolli di comunicazione standard per tecnologie wireless ed opera nelle tre bande di frequenza: 2.4-2.4835 GHz, 868-870 MHz e 902-928 MHz.; la prima banda è applicabile in tutto il mondo, l’ultima nelle aree del Nord America, Europa, Australia e Nuova Zelanda. I data rate massimi permessi in ciascuna di queste fasce di frequenza sono 250 kbps a 2.4 GHz, 40 kbps a 915 MHz e 20 kbps a 868MHz [2].
La Body Area Network invece consiste in un insieme di sensori mobili intercomunicanti e compatti, indossabili o impiantati nel corpo umano che controllano i parametri vitali del corpo. Questi dispositivi, comunicanti con le tecnologie senza fili, trasmettono i dati dal corpo ad una stazione della base di origine, da dove i dati possono essere spediti in tempo reale ad un ospedale, clinica o altrove. Tipicamente una BAN ha questi requisiti tecnici:
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• Distanza: opera all’interno, sul corpo o nella vicinanza del corpo con un range limite standard di 2 metri.
• Densità delle pico- reti: 2 /4 reti al metro quadro.
• Numero massimo di dispositivi per rete: 100.
• Throughput massimo: 100 Mbps.
• Consumo di potenza: circa 1 mW / Mbps a 1 metro di distanza.
• Tempo di setup della rete per dispositivo: < 1 sec.
Nella Figura [1.3] è raffigurata l’area di lavoro della BAN sia per le prestazioni in termini di rate sia per i consumi di potenza associati ai vari standard di comunicazioni in utilizzo oggi e descritti sopra.
Lo scenario di utilizzo dei dispositivi delle BANs è rappresentato da :
Body Sensor Network; ossia una rete 20 / 30 sensori ad uso medico (o militare) in cui si rilevano i parametri vitali del paziente e si trasferiscono i dati senza fili ai monitor . Il traffico totale non supera i 10 Kbps.
Figura 1.3 : Standard di comunicazione e area di applicazione di una rete BAN.
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Fitness Monitoring: un sistema in cui il dispositivo centrale, che può essere un lettore mp3, riceve con un collegamento wireless dei dati relativi alla distanza percorsa, al tempo, alla frequenza cardiaca, respiratoria etc. Il carico totale di dati non supera i 500 Kbps.
Wearable Audio; in cui si collegano telefoni cellulari, lettori mp3, vivavoce in auto e altri sistemi audio ad un dispositivo headset tipo cuffia. Il traffico massimo arriva a 500 Kbps.
Mobile Device Centric; in cui il telefono cellulare è il dispositivo centrale di ricezione dati.
Personal Video; dove il dispositivo centrale è una videocamera e il traffico può arrivare anche a 60 Mbps.
Figura 1.4 : Esempio di Body Sensor Network.
Figura 1.5 :BAN per il monitoraggio dei parametri durante il Fitness.
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I requisiti di progetto di una rete di questo tipo investono molte problematiche sia dal punto di vista tecnico che della qualità del servizio. Innanzitutto non c’è uno standard specifico per le BANs, quelli attuali coprono solo alcuni casi particolari e non sono sufficienti; i consumi di potenza sono ancora elevati e l’obiettivo è raggiungere il 10 % di consumo totale del dispositivo solo per la comunicazione. Un altro passo deve essere fatto verso la scalabilità, quindi avere uno standard unico che supporta un vasto range di data rate, verso la QoS, la sicurezza, la privacy di queste reti ed avere un degrado accetabile delle prestazioni nel tempo.
Banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) è il nome assegnato dall' Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ad un insieme di porzioni dello spettro elettromagnetico riservate alle applicazioni radio non commerciali, per uso industriale, scientifico e medico.
Si tratta di una banda di frequenze regolarmente assegnata dal piano di ripartizione nazionale (ed internazionale) ad altro servizio e lasciato di libero impiego solo per le applicazioni che prevedono potenze EIRP (Massima Potenza Equivalente Irradiata da antenna Isotropica) estremamente limitate ed utilizzate all’interno di una proprietà privata (no attraversamento suolo pubblico).
Le bande ISM sono state definite dal settore "Radiocommunication" dell'ITU nelle "Radio Regulations" 5.138 e 5.150. L'uso di queste bande può differire da stato a stato a causa di specifiche regolamentazioni nazionali. Le bande ISM definite a livello mondiale sono:
• banda dei 900 MHz (902-928 MHz)
• banda dei 2.4 GHz (2.400-2.4835 GHz)
• banda dei 5.8 GHz (5.725-5.850 GHz)
Recentemente tali bande sono state utilizzate per sistemi di comunicazione senza fili non licenziate come le wireless LAN (IEEE 802.11b/g e Bluetooth operano nella banda dei 2.4 GHz, mentre IEEE 802.11a opera in nella banda dei 5.8 GHz).
Con l'attuale decreto Landolfi, la creazione di reti wireless in generale (anche su banda ISM) è liberalizzata anche per comuni e associazioni di cittadini, e subordinata alla richiesta di un'autorizzazione ministeriale [3].
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Un tipico wearable computer consiste in un certo numero di moduli distribuiti sul corpo dell’utente, esempio una tastiera montata su un braccio, oppure un display installato
sulla testa. Al giorno d’oggi però questi dispositivi hanno dei limiti riguardanti le dimensioni, la durata delle batterie e il costo. Un primo ostacolo da superare nello sviluppo di questa tecnologia è rappresentato dall’eliminazione di cavi che collegano i moduli. I cavi sono un grosso limite sia per la libertà di movimento dell’utente sia per la flessibilità dell’intero sistema. Si cerca quindi di sviluppare sistemi wireless in cui i dispositivi indossati possono comunicare senza fili mantenendo prestazioni
accettabili ma con grandi vantaggi a livello pratico. Idealmente ogni unità del sistema dovrebbe possedere batterie a lunga durata e i link senza fili ad alta efficienza dovrebbero consentire un trasferimento dati tra i moduli interessati in conformità ai livelli di potenza e di banda della tecnologia wireless usata.
1.3.1 AREE APPLICATIVE
Il campo applicativo dei dispositivi wireless indossabili è molto vasto e si estende dall’intrattenimento alle comunicazioni personali, dall'abbigliamento alla sanità col monitoraggio dei parametri vitali, dalla logistica commerciale alla sicurezza negli edifici, fino ad arrivare in campo militare. I settori maggiormente interessati a questi sistemi sono classificati nel modo seguente:
• Settore consumer: comunicazioni personali, informazione, intrattenimento.
• Settore industriale: sistemi di gestione del magazzino, riconoscimento vocale, etichette elettroniche.
• Settore medico: rilevamento e monitoraggio dei parametri fisiologici, sistemi per la tutela degli anziani e dei portatori di handicap.
• Settore spaziale, militare e della protezione civile: apparecchiature di pronta utilità in campo di guerra e di interventi in casi di disastri, ausilio alla logistica.
15 1.3.2 SETTORE CONSUMER
Il settore consumer ha subito e subirà ancora un notevole incremento nella produzione di sistemi wireless wearable. L’utilizzo di questi dispositivi spazia dalle comunicazioni personali con telefoni cellulari indossabili (Mobile Device Centric), all’intrattenimento con l’uso di moduli audio wearable fino al Fitness Monitoring attraverso sensori per il controllo dei parametri di allenamento.
Nell’ambito del Fitness Monitoring è indicativo il progetto Nike Plus [4]. Nato dalla collaborazione tra Apple e Nike, Nike Plus gode di una grande popolarità, e dal punto di vista commerciale si è dimostrato un grande successo. Il sistema funziona in questo modo: il sensore (che può essere inserito o agganciato alle calzature) ha al suo interno un accelerometro e un trasmettitore wireless, quest'ultimo invia i dati raccolti al ricevitore collegato a un IPod Nano (Figura [1.6]).
L'accelerometro è uno strumento molto utile per chi pratica fitness poiché è in grado di rilevare l'accelerazione, e quindi può essere usato per misurare la velocità e la distanza percorsa. Le informazioni vengono elaborate e l' IPod riproduce (scegliendo fra i brani musicali inseriti a suo tempo dall'utente) i pezzi che si sposano meglio con il ritmo dell'attività
fisica in corso di svolgimento. Il display del lettore riporta i parametri dell'allenamento, ma non c'è bisogno di controllarli sempre dato che è possibile attivare la funzione di feedback vocale, funzione grazie alla quale vengono comunicati i dati in tempo reale; questi ultimi potranno poi essere
trasferiti ad un software specifico (iTunes), cosa che permetterà di crearsi un database cronologico utile a valutare nel tempo l'andamento delle proprie prestazioni.
Figura 1.6 : Sistema commerciale Nike Plus.
16 1.3.3 SETTORE INDUSTRIALE
Per quanto riguarda l’utilizzo in area industriale, ci si aspetta che i computer indossabili abbiano un impatto positivo sulla produttività dei lavoratori mobili simile a quello che l’introduzione dei personal computer ha avuto negli ambienti di lavoro statici.
L’avvento di questi dispositivi indossabili prospettano di rivoluzionare i metodi di lavoro nelle aziende sia da un punto di vista puramente organizzativo, garantendo una produzione più efficiente, sia da un punto di vista della sicurezza del lavoratore, diminuendo i rischi di infortunio. Il progetto
“wearIT@work”, che rappresenta forse il più importante progetto di tecnologia indossabile in ambito industriale, nasce dall’esigenza di aumentare la produttività e la flessibilità dei lavoratori consentendo un accesso più rapido alle informazioni.
Il progetto si è proposto di provare l’applicabilità di questi sistemi integrati nei vestiti in vari ambienti industriali, e di realizzarli in modo che
l’interazione utente-dispositivo sia minima.
Nell’industria automobilistica ad esempio, il primo passo riguarda la formazione del personale, con occhiali-display (Figura [1.7]) che mostrano tutte le fasi di montaggio di un pezzo e che interagiscano con l’operaio grazie a un rete di sensori che permette al sistema di sapere quale movimento sta facendo l’operaio e quale strumento sta usando. I protagonisti nella manutenzione degli aerei sono invece degli schermi simili a fogli di plastica (in alternativa ci sono sempre gli occhiali con display) che si possono attaccare alla parete consentendo agli addetti di liberarsi dagli ingombranti manuali e di seguire molto più comodamente le operazioni necessarie, consultando di volta in volta il manuale per mezzo di comandi vocali. Il dispositivo non deve recare “disturbo” all’operatore ma deve costantemente controllare tramite dei sensori il lavoro in progresso e comunicare come procedere [5].
1.3.4 SETTORE MEDICO
Il settore che attualmente sembra essere trainante e maggiormente in via di sviluppo nel mondo di dispositivi indossabili è quello paramedico; ogni persona, dallo sportivo all’anziano, dal militare in
Figura 1.7 : Occhiali con display integrato.
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missione al vigile del fuoco, potrà conoscere in real time le proprie condizioni di salute e la propria posizione, grazie al monitoraggio completo dei parametri vitali e ad un rivelatore il monitoraggio dei dati fisiologici e delle condizioni ambientali circostanti comunicanti con un centro ricevente per seguire l’andamento ed intervenire in caso di necessità. Un ramo di grande importanza dell’elettronica indossabile è la Telemedicina.
La Telemedicine, spesso definita come “medicina a distanza”, rappresenta un servizio che ha un grande impatto nell’accesso, nel costo e nella qualità dell’assistenza medica (Health care). Le comunicazioni wireless sono pertanto una importante tecnologia a disposizione della Telemedicina in quanto offrono al paziente sia mobilità che ubiquità del servizio medico.
In particolare le comunicazioni radio sono state e continueranno ad essere la tecnologia dominante per la Telemedicina wireless. Grazie al continuo sviluppo delle tecnologie nelle Personal Communications, come le WLANs basate su WiFi (IEEE 802.11) o la terza generazione di telefonia mobile (ad es. UMTS/CDMA2000), la Telemedicina personale diventerà il modo principale per distribuire assistenza sanitaria.
La definizione di Telemedicina comprende diversi tipologie di dispositivi quali sensori, attuatori (ad es. stimolatori muscolari), protesi e controllori/processori. Tuttavia il monitoraggio del paziente, definito medical telemetry, rimane l’applicazione maggiormente pervasiva delle comunicazioni wireless in Telemedicina , con un crescente bisogno di controllo remoto dei segnali vitali (ad es.
EKG), soprattutto in casi di pazienti in cura dopo operazioni chirurgiche o che hanno subito traumi da incidente.
Anche i sensori fanno parte dei BWCS per scopi medici e possono essere impiantati internamente al corpo o esternamente. Le possibili ragioni per usare sensori wireless, che costituiscono una Body Sensor Network, sono molteplici:
– Possono aiutare pazienti a soddisfare gli ordini dei dottori, la cura e la scoperta dei segni iniziali di disturbi o malattie.
– Possono aiutare i medici nella diagnosi di malattie neurologiche come il Parkinson o l’Alzheimer. Il morbo di Parkinson può essere diagnosticato solo attraverso cambiamenti comportamentali, principalmente attraverso l’andatura monitorata attraverso sensori di movimento.
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– Possono controllare eventi transitori o sporadici, come un rallentare improvviso della frequenza del battito cardiaco che conduce a periodi di svenimento che possono durare meno di un minuto e diventare inosservati per il paziente.
– Possono servire da dispositivo per mettere in allerta di ogni sintomo di malfunzionamento cardiaco.
Un esempio di computer indossabile utilizzato per scopi medici è il Sensewear Pro3 Armband (Figura [1.8]), un dispositivo utilizzato come sensore per il monitoraggio dello stato di salute dell’utente. Il Sensewear Armband è un rivoluzionario monitor multi-sensore, indossabile a "fascia"
sul tricipite del braccio destro. Esso permette un monitoraggio continuo delle variabili fisiologiche e dei dati sull’attività fisica calcolando il dispendio energetico, il livello di attività motoria o gli stati di sonno e di veglia; inoltre rileva altri parametri importanti quali il numero di passi, la temperatura esterna e della pelle, la conducibilità elettrica. L'Armband viene utilizzato in medicina dello sport, nel fitness, nelle scienze del
movimento e nel campo ospedaliero, in particolare nei reparti di Nutrizione e Malattie del metabolismo. La prescrizione dietetica e di attività fisica sarà pertanto ancora più mirata alle esigenze individuali per aiutare il soggetto a gestire al meglio il peso corporeo [6].
1.3.5 SETTORE MILITARE E DELLA PROTEZIONE CIVILE
L’utilizzo dei BWCS in ambito militare e spaziale è legato soprattutto alle Body Sensor Networks.
Le BSNs sono reti di sensori wireless progettate per controllare, proteggere e rafforzare l’individuo in situazioni particolari quali un combattimento o una missione spaziale. In generale esistono due tipi di body sensors: i sensori impiantati nel corpo e quelli posti in prossimità del corpo ma posti esternamente.
In ambito spaziale la primaria motivazione per l’applicazione di questi sensori è data dai voli spaziali che hanno una forte incidenza sullo stato di salute dei sistemi viventi; in questo senso la Biotelemetria miniaturizzata preclude l’uso di sistemi collegati con fili e richiede sensori impiantabili senza fili.
Figura 1.7 : Sensewear Pro 3 Armband [6].
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La progettazione e la realizzazione della Georgia Tech Wearable Motherboard ha significato un grande passo avanti nel segno degli Smart Clothes (abiti intelligenti). Partito nell’ottobre 1996 il progetto era sponsorizzato dall’esercito USA e consisteva nella realizzazione di una Smart Shirt [7] (Figura [1.8]) contenente fibre ottiche e speciali sensori in grado di monitorare le funzioni vitali dei soldati in caso di guerra. Con il passare del tempo la ricerca si è estesa ai possibili utilizzi civili della Smart Shirt, legati alla possibilità di comunicare via Bluetooth. Il sistema creato ha comunque una logica innovativa, nel senso che la t- shirt è a tutti gli effetti una piattaforma (come una scheda
madre, da qui il nome di motherboard) a cui si possono aggiungere nuovi sensori e quindi nuove funzionalità in modalità plug and play. Le funzionalità della wearable motherboard includono il monitoraggio della pressione e dell’elettrocardiogramma (EKG), le segnalazioni di gas nocivi e un modulo di comunicazione wireless in grado di inviare dati ed informazioni ad altri PC, PDA o condividerli direttamente via Internet. Grazie a queste funzionalità la wearable motherboard è il primo sistema e-textile in grado di monitorare le funzioni vitali dell’utente e allo stesso tempo essere un’infrastruttura flessibile di comunicazione [8].
La tecnologia degli BWCS in applicazioni militari, spaziali o comunque rivolta a corpi speciali (ad es. vigili del fuoco) è in stretto rapporto con quella in ambito medico in quanto il controllo dei parametri vitali dell’utente è il motivo trainante di questi dispositivi.
Figura 1.8 : Architettura del sistema Smart Shirt.
